Современные электронные системы, обеспечивающие экологические показатели дизеля

Аннотация

В статье рассмотрена проблема загрязнения окружающей среды автомобильным транспортом, описаны токсичные компоненты отработавших газов (ОГ) дизелей и электронные системы управления позволяющие их снизить.

Полный текст

Проблема загрязнения окружающей среды давно перешагнула границы отдельных гос- ударств и даже целых континентов, приобрела международный характер и стала общей для всех стран мира. Основным источником загрязнения являются двигатели внутреннего сгора- ния (ДВС). В качестве силовых установок в мире находится сотни миллионов ДВС, которые потребляют для сжигания топлива более 1 млрд т кислорода, выбрасывая в атмосферу сотни тонн токсичных компонентов, вредных для здоровья человека. В настоящее время ДВС вы- рабатывают более 85% энергии, потребляемой на Земле, и одним из основных источников загрязнения окружающей среды являются отработавшие газы (ОГ) автомобильных двигате- лей [1 - 5]. В настоящее время все большее распространение на транспорте получают дизельные двигатели. Отечественные и зарубежные автомобилестроители применяют дизели не только на грузовых автомобилях , автобусах, но и на малотоннажных грузовых и легковых автомо- билях. Это объясняется тем, что дизели работают на сравнительно дешевом топливе, имеют лучшую топливную экономичность. Однако проблема выброса вредных компонентов ОГ ди- зелями на сегодняшний день является важной задачей [6]. При сгорании 1 кг дизельного топлива ОГ в атмосферу выбрасывается около 80 - 100 г токсичных компонентов: 20 - 30 г монооксида углерода, 20 - 40 г оксидов азота, 4 - 10 г уг- леводородов, 10 - 30 г оксидов серы, 0,8 - 1 г альдегидов, 3 - 5 г сажи и др. Значительное ко- личество тяжелых канцерогенных ароматических углеводородов адсорбируется на твердых частицах (саже). Известно, что концентрация бензпирена на сажевых частицах в 3 - 4 раза выше, чем в потоке газа [1]. Образование сажи представляет собой процесс термического разложения (пиролиза) углеводородов в газовой (паровой) фазе в условиях сильного недостатка кислорода. Схема пиролиза может быть выражена уравнением: Сn Hm  nC  0.5mH2 , где: Сn H m - углеводород. Процесс образования сажи может быть разделен на три фазы: образование зародышей; рост зародышей; коагуляция первичных сажевых частиц (столкновение двух частиц, которые затем «сли- паются» друг с другом с образованием общей внешней оболочки). Конечный результат всех этих процессов - сажевыделение [7]. Выбрасываемые дизелями ОГ представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и твердых дисперсных частиц. При работе дизеля визуально виден дым различной окраски, вызванный ОГ, в состав которых входят сажа, механические частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, несгоревшие пары и капели топлива, масла и другие аэрозоли [1 - 5]. В связи с канцерогенным и мутагенным действием твердых частиц, выбрасываемых с ОГ , в 2012 г. Всемирная организация здравоохранения предложила запретить использование автомобилей с дизельными двигателями в городах Европы [8]. За последние годы конструкция дизелей достигла существенных результатов по эколо- гическим показателям, что позволяет выполнять крайне строгие, постоянно ужесточаемые нормативы, особенно по окиси азота (NОх) и твердым частицам (ТЧ), в частности дымность отработавших газов снизилась в 1,3 - 1,5 раза и токсичность на 20 - 30 %. Но все же этого недостаточно, и на сегодняшний день ясно, что разработка новых эко- логически чистых и одновременно экономичных дизелей требует глубоких и длительных ис- следований, предполагается появление первых образцов таких двигателей через 10 - 15 лет [9]. Основные решения по разработке экологически чистого дизеля направлены на кон- структивные изменения рабочего процесса и очистку отработавших газов в выпускной си- стеме. Эффективное воздействие на рабочий процесс дизеля стало возможным при использо- вании электронной системы управления (ЭСУ), которая позволяет согласовать работу систем топливоподачи, воздухоснабжения, газораспределения. Использование ЭСУ дизельными двигателями позволяет снизить токсичность отрабо- тавших газов, уменьшить дымность, шум, стабилизировать работу двигателя на холостом ходу. ЭСУ выполняет функции управления количеством впрыскиваемого топлива, моментом начала впрыска, частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу, работой свечей накаливания. По схемотехническому решению эти системы делятся на три типа: аналоговые систе- мы, состоящие в основном из операционных усилителей; цифровые регуляторы, построен- ные на элементах средней степени интеграции; микропроцессорные системы. Аналоговым системам, несмотря на их простоту, присущи следующие недостатки: за- висимость качества регулирования от точности изготовления применяемых элементов (рези- сторов, конденсаторов и др.); зависимость электрических параметров элементов от внешних факторов; невозможность выполнения системой функций, не предусмотренных при проек- тировании. Цифровые регуляторы позволяют в основном избавиться от этих недостатков, посколь- ку их точность определяется только выбранной разрядностью и не зависит от влияния внеш- ней среды и времени эксплуатации. Однако это весьма сложные в конструктивном отноше- нии системы, состоящие из значительного числа микросхем, и их надежность при использо- вании на автомобиле невысока. Такие системы также не могут перенастраиваться на другой режим эксплуатации либо на другой тип дизеля. Для автоматического управления автомобильным дизельным двигателем необходима система, осуществляющая не только комплексную автоматизацию двигателя (объединение функций систем топливоподачи, защиты и рециркуляции в одном блоке), но также обеспечи- вающая эффективную работу дизеля в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режи- мов при допустимом уровне токсичности отработавших газов. Поэтому аналоговые и цифро- вые системы находят применение на двигателях, работающих в стационарных условиях, например на дизель-генераторных установках, судах и тепловозах. На автомобильных дизелях находит все более широкое применение микропроцессорная система управления (рисунок 1). Она включает в себя: микропроцессор (МП), осуществляющий все арифметические операции и общее управ- ление устройствами; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)для хранения промежуточных результатов вычислений; постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для хранения программ управления всей системы в целом; датчики для сбора информации о работе двигателя. К датчикам относятся датчик частоты вращения коленчатого вала n, датчик положение рейки ТНВД hрейки , датчик положение педали подачи топлива ψпедали. По сигналу этих датчиков определяется предварительное значение управляющего воздействия на исполнительный механизм. Для более точного регулирования подачи топлива необходимы данные, в каких условиях работает двигатель. Эти данные контролируют датчик температуры топлива Tтоплива , датчик температуры всасываемого воздуха Tвоздуха и датчик атмосферного давления Pатм. . Сигналы от этих датчиков позволяют корректировать необходимую дозу впрыскиваемого топлива. Рисунок 1. Структурная схема микропроцессорной системы управления дизелем Для того чтобы избежать статических ошибок , управление в системе производится по пропорционально-интегрально-дифференциальноому закону. Интегральная составляющая закона формируется в виде суммы всех управляющих воздействий, предшествующих рас- считываемому в данный момент. Дифференциальная составляющая формируется в виде приращений регулируемого параметра за единицу времени, поэтому в систему включен тай- мер, который выдает сигналы отметок времени на котроллер прерываний, который в свою очередь приостанавливает работу основной программы управления для замера приращения регулируемого параметра через равные промежутки времени. Аварийные датчики подключены к контроллеру прерываний, и в случае превышения одного из параметров предельно допустимого значения запускается программа автоматиче- ской защиты двигателя. В случае достижения температуры охлаждающей жидкости свыше 100° С включается аварийная сигнализация, частота вращения коленчатого вала снижается до холостого хода, при снижении давления масла включается аварийная сигнализация, дви- гатель останавливается. Использование ЭСУ позволит управлять цикловой подачей топлива, углом опережения подачи топлива, давлением впрыскивания, параметрами наддувочного воздуха, фазами газо- распределения, рециркуляцией отработавших газов. Таким образом, управление параметра- ми обеспечивающее улучшение качества рабочего процесса в широком диапазоне, позволило значительно снизить выброс отработавшими газами токсичных компонентов, снизить шум и расход топлива дизеля. В связи с ужесточением международного законодательства (Правила ООН) по выбросу вредных веществ автотранспортными средствами использования ЭСУ топливной система оказалось не достаточным и для снижение токсичности ОГ дизелей потребовалось использо- вать в выпускной системе дополнительных технических средств, обеспечивающих физико- химическую очистку отработавших газов. К этому направлению относится применение нейтрализаторов и фильтров различной конструкции. Одним из способов очистки ОГ в выпускной системе является использование электри- ческих фильтров (ЭФ) (рисунок 2). Электрическая очистка ОГ основана на способности ТЧ, находящихся в газе, приобретать заряд под действием электрического поля и затем притяги- ваться. В газе всегда имеется небольшое количество ионов и свободных электронов, которые под действием электрического поля устремляются к соответствующим электродам. В про- цессе прохождения через ЭФ отрицательные ионы сажегазовой смеси заряжают встречаю- щиеся на их пути частицы сажи, которые начинают двигаться к осадительным электродам и осаждаются на них. ЭФ обычно питают постоянным пульсирующим током напряжением 35 - 50 тысяч вольт. С уменьшением скорости сажегазовой смеси и увеличением времени пре- бывания сажи в электрофильтре степень улавливания сажи увеличивается. Скорость сажега- зовой смеси в электрофильтре, в расчете на его активное сечение, не должна превышать 0,5 м/сек. ЭФ способны улавливать частицы размером 0,2 мк на 99,8%, а степень улавливания частицы размером 0,04 - 0,06 мк составляет около 95% [9]. Рисунок 2. Схема электрического фильтра Принцип работы электрического фильтра заключается в следующем, ОГ через впуск- ной канал 22 (рисунок 2) поступают в ЭФ. Проходя через перегородку 21 и подвижный ста- кан 4, ОГ снижают скорость на участки горения коронного разряда. При подаче высокого напряжения к коронирующим электродам 20 между ними и некоронирующими электродами 8 зажигается коронный разряд, в результате чего межэлектродный промежуток будет запол- нен в основном отрицательно заряженными ионами газа, вследствие чего частицы сажи при- обретают отрицательный заряд . С потоком ОГ заряженные частицы поступают в зону вы- пускного канала 13, где последовательно проходят через большой 14 и малый 15 сажесбор- ники, где оседают [10]. К преимуществам ЭФ следует отнести: малый расход электроэнергии и достигающую 100% очистку ОГ от сажи. Их недостатками являются большие габариты, необходимость предварительного охлаждения газов, частая ручная очистка, высокая стоимость изготовле- ния. На сегодняшней день в США, Японии, России ведутся разработки в области использо- вания низкотемпературной плазмы в качестве нейтрализатора отработавших газов. Данный процесс можно представить следующим образом. При подаче напряжения в электроразряд- ное устройство в нем создается неравновесная слабо ионизированная низкотемпературная плазма, которая воздействует на отработавшие газы. В результате многостадийных химиче- ских реакций оксиды азота, серы и углерода разлагаются на нетоксичные молекулы кислоро- да, азота, серы и углерода. Одновременно происходит конверсия (превращение) оксида азота в его диоксид, который связывается радикалом ОН в азотную кислоту в виде аэрозоля. Ана- логичные реакции протекают с диоксидом серы и оксидом углерода, приводя к образованию аэрозолей, которые улавливаются в достаточно простых электрофильтрах. По предваритель- ным расчетам данным способом можно нейтрализовать ОГ на 98 - 99% , а плазменная очистка обойдется в 1,5 - 2 раза дешевле, чем в многокомпонентных устройствах, так как при этом не требуется использовать благородные металлы, значительно увеличивается ре- сурс систем нейтрализации, сокращается время на их техническое обслуживание. Однако та- кой способ очистки находится в стадии разработок. На сегодняшний день сложившаяся ситуация позволяет считать, что на ближайшие го- ды одним из путей совершенствования экологических показателей дизелей будет разработка и производство устройств, снижающих токсичность ОГ существующих типов дизелей (с по- мощью нейтрализаторов, сажевых фильтров, дожигателей и др.) управляемыми электронны- ми системами.